Неделько -3 (1106085), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Если опустить условие «доступность получения», то лучшими эталонами по всем остальным условиям являются физические формулы, в которые входят фундаментальные константы. Выше было сказано, что в качестве последнего эталона метра используют формулу, в которую входят скорость света, которая и является фундаментальной константой. Однако не для всех эталонов такие константы, вернее формулы с константами, найдены.

В принципе, для любой физической величины можно было указать эталон, реализовать его технически и, используя его, создать меры, которые массово и использовать. Однако это неэффективно и поэтому в метрологии пошли по другому пути.

При использовании физических законов величины могут быть объединены в систему единиц измерений. Структура такой системы содержит несколько независимых друг от друга величин, которые выбираются произвольно из соображений удобства. Их называют основными величинами, а все другие величины, входящие в систему, называют производными. Они определяются уравнениями, в которые входят основные физические величины или их комбинации. Производные физические величины (П) формально можно записать через произведение основных величин (О):

,

Где показатели степени положительные или отрицательные рациональные числа. П называют размерностью физических величин.

В виду произвольности выбора основных величин в физике накопилось много систем единиц измерений. Это создавало неудобства, поскольку были системы удобные, а были неудобные, возникали проблемы перевода из одной системы единиц в другую и т.д. В 1960 г. было заключено международное соглашение о выборе основных физических величин, т.е. о создании удобной как в теории, так и в практике системы единиц, которую стали использовать в различных странах. Она получила название Международной системы единиц СИ. В таблице приведены основные физические величины СИ и их единицы измерения.

Итак, семь основных величин делают систему универсальной: из неё можно образовать единицы для любых физических величин.

1. Метр равен длине отрезка, которую свет проходит за 1/299792458 долю секунды.

2. Килограмм равен массе международного эталона килограмма. Эталон килограмма – цилиндр из сплава 90% Pt 10% Ir, высота и диаметр которого равны 39 мм. Из этого следует, что для эталона массы ещё не удалось подобрать фундаментальной постоянной и этот эталон используется с 1889 г.

3. Секунда равна 9192631770 периодом излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома .

4. Ампер равен силе постоянного электрического тока, который протекал по двум параллельным прямолинейным бесконечно длинным проводником с пренебрежимо малым круговым сечением, находящимся в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия между ними

5. Кельвин, единица термодинамической температуры, равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

6. Моль представляет собой количество вещества в системе, содержащей столько же частиц, сколько атомов содержится в 0,012 килограмма изотопа углерода . Это число частиц называют число Авогадро.

7. Кандела – сила источника света, монохроматическое излучение которого частотой , излучаемое в определённом направлении в телесный угол в 1 стерадиан, имеет мощность 1/683 ватта.

Размерность любой физической величины в общем виде в СИ выражается формулой:

В этом выражении все показатели степени – целые числа.

Вопросы к § 1.

1. Описать последовательность операций для определения физической величины на примере измерения длины объекта.

2. Запишите общее выражение для физической величины и объясните, что обозначают его составляющие.

3. Что такое эталон?

4. Почему физическая величина измеряется приближённо?

5. Что называют точностью?

6. Как получить значение физической величины, максимально близкое к её истинному значению?

7. Напишите формулу для истинного значения измеряемой величины.

8. Что называют физической моделью?

9. Что называют мерами?

10. Какие эталоны считаются лучшими?

11. Как формируется система единиц измерений? Система СИ.

12. Что такое размерность физической величины? Размерность в СИ.

13. Определить размерность в СИ: силы, энергии, момента сил, коэффициента трения и т.д.

14. Дать определения эталонов системы СИ (механические величины).

Литература

1. Неделько В.И., Хунджуа А.Г. Физика. – М., Академия, 2011. С. 5-11.

§ 2. Механические величины, входящие в аксиоматику Ньютона
и измеряемые в системе СИ

Физические величины являются количественными характеристиками свойств объектов материального мира, а значит, их поиск начинают с наблюдения общих для всех объектов свойств. Можно видеть, что:

1. Каждый объект занимает определённое место в пространстве, т.е. обладает свойством находиться в определённом положении среди других объектов.

2. Каждый объект может перемещаться из одного положения в другое, т.е. обладает свойством изменять своё положение.

3. Изменение положения объекта происходит не скачком, а постепенно, последовательным прохождением определённых точек пространства, при этом точки располагаются непрерывно, т.е. образуют линию. Таким образом, процесс перемещения объекта в пространстве обладает длительностью, а линию, образованную теми точками пространства, через которые проходит объект в процессе перемещения, называют траекторией.

4. Объекты изменяют своё положение при движении с различной быстротой. Так самолёт движется быстрее автомобиля, автомобиль – быстрее человека, человек – быстрее черепахи и т.д. То есть, каждому объекту присуще свойство быстрота движения.

5. Интенсивность изменения быстроты движения у объектов тоже различна. Так автомобиль разгоняется быстрее велосипедиста, а поезд останавливается медленнее автомобиля.

Итак, наблюдая за объектами, можно установить, что они обладают общими свойствами, занимают определённое положение в пространстве, могут изменять положения, т.е. перемещаться. Процесс перемещения характеризуется длительностью. Перемещения отличаются различной быстротой и различной интенсивностью изменения быстроты перемещения. Перечисленные свойства объектов называют кинематическими. Они непосредственно наблюдаемы и причинно независимы друг от друга, т.е. нельзя утверждать, что перемещение является следствием длительности или наоборот, быстрота перемещения – причиной разгона и т.д. Чтобы использовать кинематические свойства объектов и процессов движения, для их количественного описания надо для каждого из них придумать способ измерений.

В системе СИ, которая используется, основными механическими величинами являются длина (L), время (Т), масса (М). Для измерения кинематических величин используется длина (L) и время (Т). Определение эталонов L и Т см. выше. Используя длину (L) можно непосредственно измерять расстояние между объектами или посредством тригонометрических функций находить углы. Измерения расстояний проводятся тремя способами:

а) приборами, имеющими измерительные шкалы (линейки, рулетки, штангенциркули, микрометры…);

б) триангуляцией – измеряется расстояние между двумя близкими точками АС и измеряются углы и Искомое расстояние (рис. 1а);

в) локацией: посылается сигнал, который доходит до положения измеряемого объекта и возвращается назад. Поскольку сигнал представляет собой электромагнитную волну, имеющую постоянную скорость (если измерения в воздушной среде), то искомое расстояние: , где Т – время распространения сигнала до измеряемого объекта и обратно (рис. 1б).

Измерение углов: у реального объекта, например, деревянного треугольника, прямоугольного, измеряют расстояния АВ и СВ (длины сторон) и экспериментально определяют угол (рис. 2). Зная способ определения углов можно задать единицы измерения углов и сделать меры угловых величин, и с их использованием сделать измерительные шкалы и использовать их в измерительных приборах – угломерах.

Простейший угломер состоит из двух шарнирноскреплённых реек, одна из которых (АВ) (основание) неподвижна относительно измерительной шкалы (ИК), а другая (АD) (измерительная) свободно вращается и является по сути регистрирующим устройством (рис. 3).

Измерение времени. Для измерения времени используется прибор, который носит название часы (рис. 4).

Напоминаем, что в физике измерения проводят не с реальными физическими объектами, а их упрощёнными аналогами – физическими моделями, а значит, приступая к «изготовлению» физических величин надо выбрать соответствующие физические модели. Чем модель проще, тем универсальнее её применение. Поэтому выберем модель «материальная точка», т.е. будем рассматривать физические величины, характеризующие механическое движение материальной точки.

Положение материальной точки

Каждая измерительная шкала имеет начало, которому соответствует нулевой отсчёт, и это начало надо установить в месте, от которого будет производиться отсчёт. Обычно в качестве такого места выбирают какое-нибудь тело. Это тело называют телом отсчёта. Оно является необходимым участником любого измерительного процесса.

Итак, измерение положения тела имеет всегда относительный характер в том смысле, что измерение положения всегда проводят относительно какого-либо тела.

Рассмотрим конкретный пример: надо определить положение вороны, сидящей на дереве относительно пня (рис. 5). Для этого надо измерить расстояние от пня до вороны. Пусть оно равно . определяет расстояние от пня до вороны, но на таком же расстоянии находятся все точки пространства, находящиеся на сфере радиуса с центром, совпадающим с телом отсчёта (пнём) . Поскольку положение вороны надо определить однозначно надо искать ещё величины. Проведём на земле борозду, или нарисуем краской прямую линию, начинающуюся в и имеющую произвольное направление (ПD) и угломером измерим угол между ПВ и ПD. Будем считать, что угол ‑ вторая физическая величина, характеризующая положение вороны . и характеризуют (где находится ворона). Но этими же параметрами характеризуются все точки, лежащие на окружности радиуса , а это значит, что и двух физических величин для определения однозначного положения вороны мало, надо искать дальше.

Характеристики

Список файлов лекций